John M. Martinis, jedan od ključnih ljudi svjetske „kvantne revolucije“ i dobitnik Nobelove nagrade za fiziku, uskoro stiže u Zagreb na poziv hrvatskog teorijskog fizičara Miroslava Dorešića. Uoči njegova dolaska, za Hrvatski vijenac, Start i Freedom.hr snimljen je opsežan ekskluzivni intervju koji je s Martinisom vodio Dorešićev sin Tvrtko. Razgovor otkriva kako se nekada gotovo filozofska disciplina – kvantna mehanika – pretvorila u stvarne strojeve koji rade u laboratoriju na temperaturama bliskima apsolutnoj nuli.

Susret hrvatskog teorijskog fizičara i američkog eksperimentatora kolege znanstvenici već sada opisuju kao dolazak „kvantne braće“ u Hrvatsku: jedan je desetljećima gradio teorijski okvir, drugi je isti taj okvir pretvorio u konkretne uređaje, od prvih supravodljivih krugova do kvantnog procesora Sycamore.

Od studentskih dana do kvantne nadmoći

Na početku razgovora profesor Miroslav Dorešić podsjetio je kako je kao student kvantnu mehaniku učio iz ruskih udžbenika, poput poznate Davidovljeve Kvantne mehanike: „Srećom, jednadžbe su svugdje iste“, napominje uz osmijeh. Njegov nekadašnji uvodni kolegij iz kvantne mehanike pohađao je i njegov student Siniša Grgić, kasniji hrvatski veleposlanik u Stockholmu – mala crtica koja pokazuje koliko se teorijska fizika u Hrvatskoj razvijala i u vremenima kada za nju nije bilo puno sluha.

Na taj se osobni uvod nadovezuje karijera Johna M. Martinisa. Kao ključnu prekretnicu svojega rada ističe eksperiment iz doktorske disertacije u kojem je pokazan kvantni karakter makroskopskih električnih krugova. „Dokazali smo da električni krugovi mogu slijediti zakone kvantne mehanike“, podsjeća Martinis. Upravo je ta spoznaja otvorila put prema ideji da se kvantna računala grade od elektroničkih sklopova, analogno klasičnim računalima, ali uz potpuno drukčije zakone fizike.

Nakon desetljeća proučavanja fizike kvantnih uređaja, krajem 1990-ih u Sjedinjenim Američkim Državama otvaraju se ozbiljniji izvori financiranja. Tada mnoge skupine, pa tako i Martinisova, prelaze na sustavnu izgradnju supravodljivih kubita. U laboratoriju na Sveučilištu Kalifornije u Santa Barbari njegov tim uspijeva u mikrovalnim rezonatorima stvoriti kontrolirana kvantna stanja s više fotona, pri čemu se teorijska predviđanja gotovo savršeno poklapaju s mjerenjima. „Za mene je poruka bila jasna: možemo vrlo precizno kalibrirati i kontrolirati supravodljive kubite“, kaže Martinis. Tada prvi put ozbiljno zaključuje da bi „pravo“ kvantno računalo doista moglo biti ostvarivo.

Vrhunac te prve faze rada jest eksperiment s procesorom Sycamore u Googleu, gdje je Martinis vodio tim za kvantno računarstvo. U tom je uređaju, s 53 kubita, izveden zadatak uzorkovanja slučajnih kvantnih krugova. Kvantni procesor odradio je posao u nekoliko sati, dok bi ga klasičnim superračunalima, prema tadašnjim procjenama, bilo gotovo nemoguće realno izračunati. Taj je pokus ušao u povijest kao demonstracija tzv. kvantne nadmoći – situacije u kojoj kvantni stroj za određeni zadatak nadmašuje klasična računala.

Surface code, teorija i inženjerstvo

Na pitanje kada je kvantno računalo iz teorijskog misaonog eksperimenta preraslo u ozbiljan tehnološki projekt, Martinis ističe važnost ideje kvantne korekcije pogrešaka. Još je početkom 1990-ih Peter Shor pokazao da je u načelu moguće stabilizirati kvantne informacije, ali tek s razradom tzv. surface codea krajem 2000-ih dobiven je jasan inženjerski nacrt za stvarne strojeve.

Suradnja s teoretičarom Austinom Fowlerom dovodi do rada koji je, kako Martinis naglašava, napisan tako da ga razumije i poslijediplomski student – s pragovima pogrešaka izvedenima gotovo na razini srednjoškolske matematike. Upravo je ta jasnoća, a ne samo izvorni doprinos, učinila rad izuzetno citiranim i praktično korisnim: istraživačima, ali i institucijama koje planiraju ulaganja u kvantne tehnologije, napokon je bilo jasno što treba graditi i koje su granice izvedivosti.

Drugi ključni stup Martinisove karijere jest spajanje teorijske fizike s vrlo konkretnim inženjerskim rješenjima. Eksperimenti na supravodljivim krugovima zahtijevali su precizno filtriranje električnih vodova kako toplinski šum s viših temperatura ne bi uništio krhke kvantne efekte. Usto se pokazalo da kubiti rade u mikrovalnom području, oko pet gigaherca – frekvencije usporedive s današnjim mobilnim komunikacijama. „Na neki smo način morali spojiti mikrovalno inženjerstvo i kvantnu mehaniku“, kaže Martinis. Iz tog spoja nastao je intelektualni okvir koji je danas standard u području supravodljivih kubita.

Martinis pritom ističe da u znanosti rijetko tko radi sam. Brojni su istraživači, poput Michela Devoreta i Johna Clarkea, pridonijeli razjašnjavanju temeljne fizike tih sustava. No za njega je ključ ostao isti: spoj jasne teorije, pristupačne formulacije i pažljivo izvedenog eksperimenta koji potvrđuje – ili pobija – predviđanja.

Upravo takav pristup povezuje ga s Richardom Feynmanom, čija su predavanja iz fizike oblikovala generacije fizičara. „Divio sam se načinu na koji je Feynman mogao objasniti vrlo složene ideje na sažet i razumljiv način“, priznaje Martinis. U svojim preglednim radovima nastojao je, kaže, slijediti istu filozofiju.

Dolazak Johna M. Martinisa u Zagreb, u organizaciji Miroslava Dorešića, potvrda je da se i u Hrvatskoj prati i razumije sam vrh svjetske kvantne fizike. Za domaću znanstvenu zajednicu to je podsjetnik da temeljna znanost nije luksuz, nego preduvjet svake buduće tehnologije – od kvantnih računala do novih materijala i osjetila.

Integralni intervju prenijeti ćemo u sljedećim danima

 

 

 

 

 

View this post on Instagram

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A post shared by Nobel Prize (@nobelprize)